NO171610B - Anordning for innsproeytning av innstillbar brennstoffblanding i forbrenningsmotorer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for innsprøytning av brennbare emulsjoner i forbrenningsmotorer og med et lett varierbart forhold mellom emulsjonskomponentene.

Det er tidligere kjent hvilke fordeler som kan oppnås ved å forsyne forbrenningsmotorer med brennstoff som utgjøres av emulsjon av brennbare blandinger. Sådanne emulsjoner utgjøres vanligvis av hydrokarbonbrensel, enten bensin for tennpluggtente motorer, eller dieselolje for kompresjonstente motorer, samt en polar forbindelse som er dårlig blandbar med denne, som f.eks. vann eller metanol.

Nevnte polare forbindelse oppviser meget fordelaktige virkninger fra et økonomisk, energiomsetnings- og miljømessig synspunkt, samt gjør det mulig å forbedre forbrenningen, holde motoren ren og effektiv, og redusere forurensende utslipp.

For å kunne fullt utnytte sådanne fordelaktige virkninger av emulsjonsmatningen samt begrense dens ufordelaktige sider, er det imidlertid nødvendig at det gis muligheter for lett variasjon av forholdet mellom emulsjonskomponentene som en funksjon av omdreiningshastigheten og de belastninger som en forbrenningsmotor vanligvis må arbeide under, idet disse driftsparametere, f.eks ved vanlig bruk i motorkj øretøyer, kan variere innenfor vide grenser.

Foreliggende oppfinnelse gjelder nærmere bestemt løsning av det tekniske problem som foreligger når det gjelder å oppnå lett og effektiv regulering av forholdet mellom den foreliggende hydrokarbonkomponent og vedkommende polare komponent. Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det følgende under henvisning til kompresjonstente motorer, vanligvis omtalt som "dieselmotorer", samt til dieselolje/vannemulsjoner, med den nødvendige understrekning at oppfinnelsen på ingen måte er begrenset til denne type praktisk utførelse.

Ved anvendelse av dieselmotorer er det kjent at utnyttelse av at brensel bestående av en dieselolje/vannemulsjon tillater meget betraktelig nedsettelse av avløpsgassenes røkkarakter og innhold av nitrogenoksyder, all den stund sådanne emulsjoner har de nødvendige egenskaper med hensyn til finfordelhet og ensartethet. Dette innebærer en bedre forbrenning og en høyere virkningsgrad for motoren, som da holder seg ren og mer effektiv.

Dette innebærer også den ikke uvesentlige fordel av de skadelige og problemfylte utslipp begrenses, særlig i bytrafikk.

I henhold til tidligere kjent teknikk fremstilles sådanne emulsjoner vanligvis ved hjelp av en emulgeringsinnretning som er anordnet oppstrøms for innsprøytningspumpen, nemlig i lavtrykks-grenen av motorens matningssystem.

Innsprøytningspumpen og hele høytrykksgrenen av brenselmatnings-kretsen tilføres således den emulsjon som på forhånd er fremstilt på oppstrømssiden av innsprøytningspumpen.

Ved en teknisk løsning av denne art belaster emulsjonen hele høytrykksgrenen av brenselmatningssystemet, samt tilførsels-kanalene og vedkommende injektorer, som til sammen har et meget stort omfang sammenlignet med det volum som tilsvarer et slag av den resiproserende innsprøytningspumpe.

Som en følge av dette er det åpenbart at virkningen med å forandre "emulsjonsforholdet", nemlig vektforholdet mellom vann og brensel, først vil finne sted etter en tid som vil gå med til å forbruke all den emulsjon som allerede inneholdes innenfor volumet av matningssystemets høytrykksdel.

Når det gjelder utnyttelse i kjøretøyer på vei, særlig i bytrafikk, vil en sådan forsinkelse av størrelsesorden et minutt anses for alt for lang og ikke godtagbar.

Nedsettelse av det overfor nevnte "skadelige volum" er bare mulig innfor sådanne grenser som fastlegges av motorens geometri, og gjør det ikke mulig å redusere overfor angitte tid i vesentlig grad som eksempel er det tilstrekkelig å ta i betraktning det forhold at motoren, når vedkommende kjøretøy ikke er i gang, skal gå på tomgang og bare mates med dieselolje, særlig ved langvarig stans, mens i sterk motsetning til dette motoren umiddelbart må løpe under høy belastning når kjøretøyet atter settes i gang', og bør da fortrinnsvis mates med en emulsjon som inneholder den høyeste fastlagte vannandel (omtrent 15 - 25 vekt%).

En ytterligere ulempe skriver seg fra det forhold at vanndiesel-oljeemulsjoner kan oppvise ustabiliteter over tid.

Foreliggende oppfinnelse har da som formål å frembringe en anordning som gjør det mulig å mate motoren med f.eks. vann/- dieseloljeemulsjoner med emulsjonsforhold som kan varieres tilstrekkelig raskt til at dette forhold stort sett alltid vil være i samsvar med motorens driftstilstand.

Oppfinnelsen gjelder således en anordning for innsprøytning av brennstoffblanding med innstillbart blandindingsforhold i en forbrenningsmotor idet blandingen er en emulsjon som utgjøres av et hydrokarbonbrennstoff og et fluid som er dårlig blandbart med dette, og anordningen omfatter:

pumpeutstyr bestående av

en innsprøytningspumpe og et drivorgan for denne, for

avlevering av en strøm av hydrokarbonbrennstoff,

et forgreningsorgan forbundet med nevnte pumpeutstyr 1,2

for oppdeling av nevnte brenstoffstrøm 6 i en første og en

annen delstrøm,

et innsprøytningsorgan forbundet med nevnte forgreningsorgan, og som mottar nevnte første delstrøm av hydro-karbonbrennstof f ,

en hul overføringsinnretning forbundet med nevnte forgreningsorgan, og som har et bevegelig, avtettet skillelegeme for inndeling av overføringsinnretningens indre i et første og et annet kammer idet: det første kammer er innrettet for å motta nevnte annen brennstoffdelstrøm som tilføres kammeret over nevnte forgreningsorgan, og

det andre kammer er innrettet for å inneholde det dårlig blandbare fluid, som tilføres kammeret ved hjelp av et første tilførselsutstyr for dette fluid,

et annet tilførselsutstyr for det dårlig blandbare fluid, og hvis ene ende er forbundet med nevnte annet kammer A og annen ende med nevnte innsprøytningsorgan.

En konstruktiv utførelse av denne art er prinsipielt kjent fra DE patentskrift nr. 2.924.128, US patentskrift nr. 4.481.921' og CH patentskrift nr. 172.170.

På denne bakgrunn av kjent teknikk har da anordningen i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at nevnte skillelegeme er anordnet for forspenningsfri bevegelse i overførings-innretningen utelukkende drevet av innsprøytningspumpens trykkvekslinger, og en emulgeringsinnretning er anordnet i eller i direkte forbindelse med innsprøytningsorganet for emulgering av det dårlig brennbare fluid i brennstoffet

umiddelbart før innsprøytningen, idet

to ventilinnretninger hvorav en første er innkoblet i den første delstrøm og den annen i det annet overføringsutstyr for det dårlig blandbare fluid, er innrettet for å styre blandingsforholdet mellom hydrokarbonbrennstoffet og det dårlig blandbare fluid.

En sådan anordning vil nå bli omtalt under henvisning til den vedføyde tegning som viser skjematisk en praktisk utførelse av oppfinnelsen i forbindelse med dieselmotorer.

Innsprøytningspumpen 1 drives ved hjelp av mekanisk utstyr 2 og mates med dieselolje fra tank 3, som pumpen er forbundet med gjennom tilførselsledningen 4 og returkanalen 5. Utløps-strømningen fra pumpen 1 overføres fra brenselmatningen ved hjelp av en strømningskanal 6, som er oppdelt i to kanalgrener 6A og 6B.

Kanalgrenen 6A, som kan strupes av ventilen 7, mater innsprøytn-ingsorganet 8 gjennom kanalen 9. Den annen grenkanal 6B avgir resten av det tilførte brensel til en overføringsinnretning 10. Overføringsinnretningen 10, som utgjør en viktig del av anordningen i henhold til oppfinnelsen, utgjøres av en lukket beholder som er oppdelt i to separate volumer, hvor imidlertid ett og samme trykk foreligger. Skillet mellom de to delvolumer kan utgjøres av en bøyelig og elastisk membran, eller eventuelt av en belg eller et bevegelig stempel.

Skillelegemet 11, i form av membran eller belg, kan være utført i bøyelige materialer, slik som naturlige eller syntetiske polymerer som er kjemisk bestandige overfor emulsjonskomponentene, metallfolier, sammensatte materialer e.l. Det må være effektivt understøttes og fastholdt inne i overførings-innretningen, uten å være utsatt for noen som helst form-begrensinger.

Når imidlertid skillelegemet 11 er utført som et stempel, må den indre utforming av beholderen være utført for nøyaktig tverr-snittstilpasning til stempelet, som er anordnet for sidebevegelse inne i beholderen. Et sådant stempel kan være utført i stive materialer, slik som metaller, keramiske eller stive polymer-materialer, slik som fluorkarboner.

Den foretrukne form er sylinderform, med anleggsflåtene pre-sisjonsslipt.

Beholdervolumet G mot kanalen 6B opptas av dieselolje, mens det annet beholdervolum A derimot opptas av vann som skal emulgeres inn i dieseloljen.

Det synes åpenbart at ved hvert utløpsslag av pumpen 1, vil dieseloljen overføre sitt trykk til det indre av overførings-innretningen 10, også til volumet A, og som en følge av dette vil vannet i dette volum bli avgitt gjennom kanalen 12, som strupes av reguleringsventilen 13, til innsprøytningsorganet 8 på grunn av den tilsvarende forskyvning av skillelegemet 11 og i mengde som tilsvarer forskyvningsvolumet.

Hvert tilbakeslag eller inntaksslag for pumpen 1 vil på den annen side frembringe et undertrykk på G-siden i overførings-innretningen 10, hvilket forskyver skillelegemet 11 i motsatt retning og suger inn vann fra tanken 14 gjennom ledningen 15, og enveisventilen 16. Hvis nødvendig, kan det i ledningen 15 være anordnet en ekstra vannmatningspumpe 17 som overfører et svakt overtrykk til overføringsinnretningen 10, hvilket fritar tanken fra å anordnes i høytliggende stilling.

Innsprøytningsorganene 8 for motoren må være utstyrt med en blendekanal og kombinert med en emulgeringsinnretning 19. Sådanne innsprøytningsorganer kan oppnås ved å anordne f.eks. en statisk stråleavbøyende emulgeringsinnretning på oppstrømssiden av et innsprøytningsorgan av vanlig utførelse, da emulgeringsan-ordninger av denne art er særlig egnet for det foreliggende formål på grunn av sine små dimensjoner.

Blandekanalen for blanding av vann og dieselolje på oppstrøms-siden av emulgeringsinnretningen 19 kan være anbragt enten på utsiden eller inne i innsprøytningsorganet 8, som da i de to nevnte tilfeller vil da henholdsvis separate innløpsporter 9 og 12 for dieselolje og vann, eller en eneste innløpsport for emulsj onsblandingen.

Returledningen 18 fra innsprøytningsorganet 8 er ført til vannmatningsrøret 15 på oppstrømssiden av enveisventilen 16.

Sammenfatningsvis går således anordningens arbeidsfunksjon ut på at det i innsprøytningsorganet 8, som også omfatter den statiske emulgeringsinnretning 19, tilføres dieselolje og vann i de ønskede mengdeandeler, idet den førstnevnte komponent tilføres direkte fra innsprøytningspumpen 1, mens den annen derimot mates inn ved en forskyvning av en del av dieseloljen som driver overføringsinnretningen 10, på en slik måte at den virker som en positiv forskyvningspumpe.

De relative mengdeandeler av dieselolje og vann reguleres for hvert drivslag av pumpen samt av ventilene 7 og 13.

En hvilken som helst av disse to ventiler, f.eks ventilen 7 i figuren, er innstilt en gang for alle, og har som formål å frembringe et lokalt trykkfall inne i kanalen 6A, for derved å sikre passende innstrømning i volumet G av overføringsinn-retningen 10. I dette tilfelle kan ventilen 7 da erstattes med f.eks en kalibrert dyse som er slikt innstilt ved kalibreringen at det ønskede trykkfall opprettholdes. Reguleringsfunksjonen er da overlatt til den annen ventil.

Under fortsatt henvisning til det viste utførelseseksempel i figuren er den annen ventil 13 da modulert. Dens arbeidsfunksjon går da ut på å regulere emulsjonsforholdet, nemlig vektforholdet mellom dieselolje og vann, ved struping av utstrømningen til kanalen 12.

Det er imidlertid åpenbart ar reguleringsrollene kan ombyttes mellom de to nevnte ventiler, og den eneste ventil som virkelig er nødvendig er den som utfører reguleringsfunksjonen.

Reguleringstiden for den innstilte reguleringsforhold i ut-strømningen E vil her være vesentlig kortere enn 1 sekund og kan nå så korte tidsverdier som 5 0 - 80 millisekunder.

Claims (8)

1. Anordning for innsprøytning av brennstoffblanding med innstillbart blandindingsforhold i en forbrenningsmotor idet blandingen er en emulsjon som utgjøres av et hydrokarbonbrenn-stof f og et fluid som er dårlig blandbart med dette, og anordningen omfatter: pumpeutstyr bestående av en innsprøytningspumpe (1) og et drivorgan (2) for denne, for avlevering av en strøm (6) av hydrokarbonbrennstoff, et forgreningsorgan forbundet med nevnte pumpeutstyr (1,2) for oppdeling av nevnte brenstoffstrøm (6) i en første og en annen delstrøm (6A og 6B), et innsprøytningsorgan (8) forbundet med nevnte forgrenings organ, og som mottar nevnte første delstrøm (6A) av hydro-karbonbrennstof f , en hul overføringsinnretning (10) forbundet med nevnte forgreningsorgan, og som har et bevegelig, avtettet skillelegeme (11) for inndeling av overføringsinnretningens indre i et første og et annet kammer (G og A), idet: det første kammer (G) er innrettet for å motta nevnte annen brennstoffdelstrøm (6B) som tilføres kammeret over nevnte forgreningsorgan, og det andre kammer (A) er innrettet for å inneholde det dårlig blandbare fluid, som tilføres kammeret ved hjelp av et første tilførselsutstyr (14-17) for dette fluid, et annet tilførselsutstyr (12) for det dårlig blandbare fluid, og hvis ene ende er forbundet med nevnte annet kammer (A) og annen ende med nevnte innsprøytningsorgan (8) ,karakterisert ved at nevnte skillelegeme (11) er anordnet for forspenningsfri bevegelse i overføringsinnretnin-gen (10) utelukkende drevet av innsprøytningspumpens trykkvekslinger, og en emulgeringsinnretning (19) er anordnet i eller i direkte forbindelse med innsprøytningsorganet (8) for emulgering av det dårlig brennbare fluid i brennstoffet umiddelbart før innsprøytningen, idet to ventilinnretninger (7,13), hvorav en første (7) er innkoblet i den første delstrøm (6A) og den annen (13) i det annet overføringsutstyr (12) for det dårlig blandbare fluid, er innrettet for å styre blandingsforholdet mellom hydrokarbonbrennstoffet og det dårlig blandbare fluid.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at det bevegelige skillelegeme (11) utgjøres av en membran.

3. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at det bevegelige skillelegeme utgjøres av en belg.

4. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at det bevegelige skillelegeme (11) utgjøres av et stempel.

5. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at vedkommende forbrenningsmotor er en motor med kompresjonstenning, og at hydro-karbonbrennstof f et er dieselolje, mens det dårlig blandbare fluid er vann.

6. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den første ventilinnretning (7) er en reguleringsventil innrettet for å variere vektforholdet mellom hydrokarbonbrennstoffet og det dårlig blandbare fluid, mens den annen ventilinnretning (13) opprettholder et konstant innstilt trykkfall.

7. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den annen ventilinnretning (13) er en reguleringsventil innrettet for å variere vektforholdet mellom hydrokarbonbrennstoffet og det dårlig brennbare fluid, mens den første ventilinnretning (7) opprettholder konstant innstilt trykkfall.

8. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter en enveisventil (16) anordnet i nevnte første forsyningsutstyr (14-17) for det dårlig blandbare fluid.